基于改进天牛须算法的异构三维片上网络的布图优化方法、装置、设备及介质与流程

1.本发明涉及三维大规模集成电路、布图规划以及智能优化算法的交叉领域，特别涉及一种基于改进天牛须算法的异构三维片上网络的布图优化方法。


背景技术：

2.集成电路依据摩尔定律不断发展，随着芯片的进步，片上系统(system on chip,soc)便成为主要的发展方向。目前，片上多核系统mpsoc已经慢慢应用于网络通信等嵌入式电子设备中。随着半导体技术进入了纳米级工艺时代，单一芯片上实现了存储、收集信号、信号转换、系统控制等功能。片上系统的优势在于它利用ip核(intellectual property core，ip core)可重用技术和基于总线的通信模式，减少了单个部件的开发时间，解决了电路集成度过高造成的多个ip核之间的通信互连问题，继而提高了芯片的设计效率。而随着深亚微米集成工艺技术的成熟，单一芯片上集成的ip核数目越来越多，片上系统采用的基于分段式总线和共享总线的互连结构已经不能匹配快速发展的通信需求，传统的片上系统开始面临在通信带宽、通信功耗、全局同步等各方面出现的局限性问题。所以，近年来研究学者们为了彻底解决总线结构通信模式带来的局限性，把计算机网络技术引进到芯片设计中来，片上网络(network on chip，noc)应运而生。
3.随着系统性能需求越来越高，传统的总线型结构已经不能满足系统的性能需求，因此片上网络慢慢成为芯片上多个ip核之间相互通信的桥梁。片上网络的研究从二维片网逐渐扩展到了三维片网。芯片集成度的进一步提升，使得二维片上网络已经不能保证关键部件相邻，与2d noc相比，3d noc具有很多优势，提高芯片带宽，更高的通信效率，全局同步，芯片的功能趋于多样化等。
4.深亚微米集成工艺技术的成熟，使得单一芯片上的ip核数目越来越多，而且每个ip核呈现不同形状大小，这就需要一种算法，找出最优解，使得信息传输频繁的两个ip核距离最近，同时保证整体的规则形状。布图规划阶段作为芯片物理设计的第一个阶段，是影响整个芯片性能的关键环节，布图规划问题对系统的功耗、延迟等性能均有很大影响。
5.然而，布图规划阶段的成本函数只用线性加权的方式考虑芯片面积和链路长度并不能满足实际的情况，三维片上网络多层堆叠的方式增加了芯片的功率密度，而且也增长了散热路径，导致热量积聚速度变快，超高的温度可能会永久性的损坏芯片。而且，由于芯片面积有限，大量ip核集成于一个芯片上进行数据传输，芯片上的功耗密度和热度可以和核能量相比，所产生的热量会对系统的正常运行产生影响。因此，在布图设计除考虑芯片面积和链路长度外，还有必要考虑温度因素。


技术实现要素：

6.本发明提供一种基于改进天牛须算法的异构三维片上网络的布图优化方法，综合考虑芯片面积、链路长度和温度因素，提高异构三维片上网络的综合性能。
7.为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种基于改进天牛须算法的异构三维片上网络的布图优化方法，包括：
9.网络层划分：将片上网络所有任务映射到不同的ip核，并根据所有ip核的功能和种类，将所有ip核划分到异构三维片上网络的不同网络层；
10.布图方案优化：采用二叉树编码方式对每个网络层的ip核进行布图编码，并采用天牛须算法求解每个网络层上ip核的最优布图方案；其中，求解最优布图方案所采用的目标函数，其变量包括布图方案的芯片面积、通信链路和温度。
11.进一步地，映射到ip核上的片上网络任务，可以是计算任务或通信任务。
12.进一步地，选择红黑树编码方式对每个网络层的ip核进行布图编码。
13.进一步地，求解最优布图方案所采用的目标函数表达式为：
14.cost＝α
·
a β
·
m γ
·
t；
15.式中，cost代表完成布图方案所需的成本，作为目标函数值；a、m和t分别代表布图方案对应到芯片上的芯片面积、总的链路长度和温度，α、β和γ分别代表平衡面积、链路长度和温度的系数；
16.其中，温度t的计算式为：
[0017][0018]
式中，p
avg
表示芯片单位面积上的功率密度，s为热流传导面积，k是芯片材料的热传导率。
[0019]
进一步地，目标函数还包括每个ip核的温度约束：ti≤t
max
；其中，ti代表任意的ip核，t
max
为ip核的温度阈值。
[0020]
进一步地，采用天牛须算法求解每个网络层上ip核的最优布图方案的过程为：
[0021]
a1，初始化：设置天牛须算法中的左右两须距离d、步长δ和迭代次数；随机初始化一个布图方案，使用其ip核序列表示天牛初始的质心坐标x0；设置适应度函数，即目标函数；
[0022]
a2，将天牛初始的质心坐标作为天牛最优位置x
bst
，计算天牛当前最优位置对应布图方案的目标函数值，记为最优目标函数值f
bst
，
[0023]
a3，生成一个随机向量dir，且满足dir＝rands(n,1)，将dir归一化可表示为dir＝dir/norm(dir)，并根据公式(2)搜索两须位置；
[0024][0025]
a4，分别计算左右须适应度值fleft＝f(x
l
)，fright＝f(xr)；
[0026]
a5，更新下一步位置x
t 1
：若fleft＜fright，天牛向左须方向前进δ，即x
t 1
＝x
t
δ
t
·
normal(x
l-xr)；若fleft＞fright，天牛向右须方向前进δ，即x
t 1
＝x
t-δ
·
normal(x
l-xr)；
[0027]
a6，更新步长δ和两须间的距离d：δ
t 1
＝0.95δ
t
，d
t 1
＝0.95d
t
0.01；
[0028]
a7，判断位置x
t 1
对应的布图序列是否能编码成红黑树，若是则执行步骤a8，否则
修正位置x
t 1
对应的布图序列，同步根据修正得到的布图序列修正位置x
t 1
，重复本步骤a7；
[0029]
a8，判断当前目标函数值f(x
t 1
)是否小于当前最优目标函数值f
bst
：若小于则将天牛最优位置x
bst
更新为x
t 1
，最优目标函数值f
bst
更新为f(x
t 1
)；否则，按照概率将天牛最优位置x
bst
更新为x
t 1
，最优目标函数值f
bst
更新为f(x
t 1
)；
[0030]
a9，判断是否达到停止条件，若未达到，执行a3；否则执行a10；
[0031]
a10，输出最优位置x
bst
，得到对应的最优布图方案。
[0032]
一种基于改进天牛须算法的异构三维片上网络的布图优化装置，包括：
[0033]
网络层划分模块，用于：将片上网络所有任务映射到不同的ip核，并根据所有ip核的功能和种类，将所有ip核划分到异构三维片上网络的不同网络层；
[0034]
布图方案优化模块，用于：采用二叉树编码方式对每个网络层的ip核进行布图编码，并采用天牛须算法求解每个网络层上ip核的最优布图方案；其中，求解最优布图方案所采用的目标函数，其变量包括布图方案的面积、通信链路和温度。
[0035]
一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器实现上述任一项所述布图优化方法中的布图方案优化过程。
[0036]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述布图优化方法中的布图方案优化过程。
[0037]
有益效果：
[0038]
1、本发明求解最优布图时，综合考虑芯片面积、链路长度和温度因素，提高异构三维片上网络的综合性能；
[0039]
2、对ip核设置温度阈值从而转移通信任务、保护芯片，用户可自行设置权重以满足自身需求的布图方案。这一改进保护了芯片的安全运行，且更满足实际系统运行需求；
[0040]
3、采用改进的天牛须算法求解最优布图方案，可以跳出局部最优，弥补了现有算法只能找到极小值却不能找到最小值的不足，可以更好更快地解出3d片上网络的布图最优解；
[0041]
4、红黑树编码方式可以很好地表示不同的布图规划，每一个可行的布图方案只对应唯一的一棵红黑树，这种方法表示简单，缩短了工作量且有利于求解最优布图；
[0042]
5、本发明涉及三维大规模集成电路、布图规划以及智能优化算法的交叉领域这对我国芯片技术的发展有重要意义，其社会效益显著。
附图说明
[0043]
图1是本技术实施例；
[0044]
图2为三维片上网络布图结构示意图；
[0045]
图3为本发明采用改进天牛须算法求解最优布图方案的流程图。
具体实施方式
[0046]
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。
[0047]
本实施例提供一种基于改进天牛须算法的异构三维片上网络的布图优化方法，首先根据芯片的设计和功能实现，将已有的计算任务或通信任务等芯片功能映射到对应的ip核上，再按照芯片中ip核的不同功能或者种类，将不同的ip核分别划分到三维片上网络的不同网络层中。对三维片上网络中的每一层ip核使用红黑树方法表示各层所对应的平面布图方案，对每层的元素采用深度优先原则从根节点开始依次构造左子树、右子树，再对左右子树递归迭代至构造完整红黑树。然后用改进的天牛须算法在红黑树上搜索求解每一层平面的优化布图，在搜索过程中使用设定的概率方式跳出局部最优解，以获取全局最优布图方案。具体构建方法参考图1、图2所示，包括：
[0048]
s1，确定布图规划需求。在3d片上网络中，给定应用和通信任务图，将m个模块划分到不同位置以满足通信和任务要求。另外这些模块分为可更改大小的和不可更改大小的，且不同模块要受通信距离与通信任务等的约束。布图规划就是要将这些模块按照任务要求以及通信链路最短要求进行排列，且最终排列的整个形状为矩形，并满足矩形面积和通信链路多目标均尽可能最小和模块不重叠的要求。
[0049]
s2，布图结构选取。即，将各芯片模块用字母或数字代表，由这些字母/数字的特定事先约定好规则的排列顺序表示模块间的相对位置，从而达到对平面布图的序列化表示。
[0050]
s3，布图编码方式选取。本实施例选用的是红黑树编码方式，红黑树编码方式用有序二叉树表示布图方案，在布图规划中只考虑紧凑布局，每一个可行的布图方案只对应唯一的一棵红黑树，布图的每一个模块与红黑树的每一个节点相对应，红黑树建立布图规划的过程类似与二叉树的深度优先搜索。
[0051]
s4，布图规划算法求解最优方案。本实施例对现有的天牛须算法进行改进，进而应用到本实施例中求解每个网络层上ip核的最优布图方案。
[0052]
具体地，本实施例采用改进天牛须算法求解每个网络层上ip核的最优布图方案的具体过程，参考图3所示，包括以下步骤：
[0053]
a1，初始化：设置天牛须算法中的左右两须距离d、步长δ和迭代次数；随机初始化一个布图方案，使用其ip核序列表示天牛初始的质心坐标x0；设置适应度函数，即目标函数。
[0054]
本发明中求解最优布图方案所采用的目标函数，综合考虑布图方案的芯片面积、通信链路和温度，具体在本实施例中，目标函数表达式设置为：
[0055]
min(cost)＝α
·
a β
·
m γ
·
t；
[0056]
式中，cost代表完成布图方案所需的成本，作为目标函数值；a、m和t分别代表布图方案对应到芯片上的芯片面积、总的链路长度和温度，α、β和γ分别代表平衡面积、链路长度和温度的系数；
[0057]
其中，温度t的计算式为：
[0058][0059]
式中，p
avg
表示芯片单位面积上的功率密度，s为热流传导面积，k是芯片材料的热
传导率。
[0060]
进一步地，目标函数还包括每个ip核的温度约束ti≤t
max
；其中，ti代表任意的ip核，t
max
为ip核的温度阈值。当某个ip核的温度ti大于温度阈值t
max
，则调整权重γ，从而进行任务迁移，将该ip核中的某些任务迁移到其他ip核，最终降低该ip核和整个芯片的温度。
[0061]
a2，将天牛初始的质心坐标作为天牛最优位置x
bst
，计算天牛当前最优位置对应布图方案的目标函数值，记为最优目标函数值f
bst
。
[0062]
a3，生成一个随机向量dir，且满足dir＝rands(n,1)，将dir归一化可表示为dir＝dir/norm(dir)，并根据以下公式搜索两须位置；
[0063][0064]
a4，分别计算左右须适应度值fleft＝f(x
l
)，fright＝f(xr)。
[0065]
a5，更新下一步位置x
t 1
：若fleft＜fright，天牛向左须方向前进δ，即x
t 1
＝x
t
δ
t
·
normal(x
l-xr)；若fleft＞fright，天牛向右须方向前进δ，即x
t 1
＝x
t-δ
·
normal(x
l-xr)。
[0066]
a6，更新步长δ和两须间的距离d：δ
t 1
＝0.95δ
t
，d
t 1
＝0.95d
t
0.01。
[0067]
a7，判断位置x
t 1
对应的布图序列是否能编码成红黑树，若是则执行步骤a8，否则修正位置x
t 1
对应的布图序列，同步根据修正得到的布图序列修正位置x
t 1
，重复本步骤a7；
[0068]
a8，判断当前目标函数值f(x
t 1
)是否小于当前最优目标函数值f
bst
：若小于则将天牛最优位置x
bst
更新为x
t 1
，最优目标函数值f
bst
更新为f(x
t 1
)；否则，按照概率将天牛最优位置x
bst
更新为x
t 1
，最优目标函数值f
bst
更新为f(x
t 1
)，以跳出局部最优；
[0069]
a9，判断是否达到停止条件，若未达到，执行a3；否则执行a10；
[0070]
a10，输出最优位置x
bst
，得到对应的最优布图方案。
[0071]
最终，即可根据得到的最优布图方案将所有ip核摆放在该网络层对应位置上，每个网络层的ip核均按其最优布图方案把ip核排列好之后，即完成该异构三维片上网络的设计。
[0072]
本发明还提供一种基于改进天牛须算法的异构三维片上网络的布图优化装置，用于实现前述实施例所述的基于改进天牛须算法的异构三维片上网络的布图优化方法，具体包括网络层划分模块和布图方案优化模块，其中：
[0073]
网络层划分模块用于：将片上网络所有任务映射到不同的ip核，并根据所有ip核的功能和种类，将所有ip核划分到异构三维片上网络的不同网络层；
[0074]
布图方案优化模块用于：采用二叉树编码方式对每个网络层的ip核进行布图编码，并采用天牛须算法求解每个网络层上ip核的最优布图方案；其中，求解最优布图方案所采用的目标函数，其变量包括布图方案的面积、通信链路和温度。
[0075]
布图方案优化模块的优选实现方式，与前述基于改进天牛须算法的异构三维片上
网络的布图优化方法中相同，此处不再重复阐述。
[0076]
本发明还提供一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器中存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器实现前述基于改进天牛须算法的异构三维片上网络的布图优化方法中的布图方案优化过程。
[0077]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述基于改进天牛须算法的异构三维片上网络的布图优化方法中的布图方案优化过程。
[0078]
以上实施例为本技术的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本技术总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本技术要求保护的范围之内。